陸地如何影響地球的“進化”？（瞰前沿）

近百年來，由於人為排放温室氣體等原因，地球表面升温，形成了巨大的生態和環境壓力。在不同的二氧化碳背景下，地球生態系統將走向何方？在全球變暖趨勢下，生態系統的韌性有多強？

現在人類短時間尺度的觀察記錄很難回答以上問題，而漫長的地質歷史中已經發生多次類似事件。“現代陸地生態系統是如何起源的”，是中國科協評出的年度十大前沿問題之一。瞭解陸地生態系統的起源和演化，將幫助我們更好地理解、保護地球生態系統，促進可持續發展。

——編 者

你真的瞭解地球上的“陸地”嗎？

地球宜居，得益於其獨特的宇宙環境和自身條件。首先，地球與太陽距離適中，接收的太陽輻射能夠維持適宜的温度並保證液態水的穩定存在；角度適宜，保證了規律的四季更替。其次，諸如板塊構造運動等強烈的地質活動有效促進了地球的物質循環，能夠長期調節氣候並維持元素平衡，保證了大氣圈、水圈和岩石圈的動態平衡。

從高空俯視，地球表面大部分被水所覆蓋，陸地總面積僅佔地表面積的29%，但陸地生物構成了全球生物多樣性的主要部分——其種類約佔地球生物總量的85%。

陸地生態系統，即陸地生物與其所處環境共同構成的多樣複雜的整體系統。它是人類賴以生存和發展的基礎。探究它的起源過程和驅動機制，不但可以為被子植物起源、脊椎動物演化等重要問題提供答案，還能為理解“宜居地球”的演變提供直接證據。

從長時間尺度上看，陸地生態系統深刻地參與塑造了地球的演變。

例如，參與塑造大氣圈的演變。泥盆紀陸地植物的大規模生態擴張，推動了森林生態系統的出現與複雜化。這一方面引起了大氣氧含量的急劇升高，不但促進了石炭紀節肢動物的巨型化，也側面削弱了紫外線的輻射並促進臭氧層的形成。另一方面，通過固定二氧化碳參與了碳循環，石炭紀森林的埋藏還為人類提供了重要的煤炭資源。

又比如，參與塑造水圈的演變。陸地植物的蒸騰作用將大量的水循環至大氣之中，植物強大的根系有效提升河流系統的穩定性。

再比如，參與塑造地表岩石圈的演變。陸地植物與微生物通過生物風化作用可以快速破壞地表的基岩，加速土壤層的形成。地下生活的動物也可以通過掘土等方式擾動地表的土壤層，參與各類地貌的形成。

哪些因素影響了“陸地”的演化？

陸地生態系統的變化並不是和緩的，而是經歷過崩潰與復甦。

學術界提出了“白堊紀陸地革命”等理論，並認為貫穿“白堊紀陸地革命”的五大標誌性事件，即“被子植物起源”“昆蟲的生態輻射”“脊椎動物的興衰演替”“陸地生態系統的崩潰”以及“陸地生態系統的復甦”，是探究現代陸地生態系統起源與演化的關鍵。

白堊紀被子植物的崛起，重塑了全球陸地植被和生態系統格局，也為昆蟲、兩棲爬行類、鳥類和哺乳動物的輻射演化提供了棲息地和能量來源；昆蟲的生態輻射使得森林生態系統、湖泊生態系統等各類型的陸地生態系統更加複雜，在維持生物多樣性、調節碳循環等方面深度地參與了現代陸地生態系統的形成；恐龍類等陸生脊椎動物，通過拓展生態位、重塑食物網、改造棲息環境等極大地影響了現代陸地生態系統的形成。同時，一系列的地質環境事件也對現代陸地生態系統的形成產生了不可忽視的影響。

在侏羅紀和白堊紀，恐龍時代的陸地生態系統與現代截然不同。首先是地理格局與氣候環境的巨大差異。在侏羅紀早期，大陸的聚合程度較高，之後不斷裂解，直到白堊紀晚期才初步形成現代地理格局的原始狀態。

板塊活動改變了當時的氣候條件，造成了當時的極端温室效應。據測算，白堊紀中期的大氣二氧化碳濃度是現在的4—10倍；熱帶地區年平均温度高達35攝氏度，兩極地區的年平均温度也能達到14攝氏度左右；當時的海平面比現在高100—200米，在過去250Ma（百萬年）的歷史中處於最高位時期。

如今，人類活動已成為影響陸地生態系統變化的首要驅動力，影響速率與規模遠超自然過程。

耕地的擴張、畜牧業的發展、礦產資源的開採等，都會改變地球的表層系統。人類活動還會極大地影響地球的氣候條件。我們生活的地球目前正處於冰室氣候階段，兩極的冰蓋便是顯著特徵。如今，大氣中吸熱温室氣體的含量已創有史以來的最高紀錄。由於破壞生物的棲息環境、排放污染物、過度開發生物資源等，人類活動極大地加速了陸地生物物種多樣性的下降。

然而，人類活動的影響並非全然消極。生態恢復和污染治理有效修復了退化的陸地生態系統，我國的“三北”工程就是其中的經典案例。同時，可持續發展的綠色農業和林業活動可以在保證土地利用率的同時，提高土地的植被覆蓋率和生態健康。多年來大規模的物種保護活動也卓見成效，瀕危物種的人工繁殖與再引入、棲息地保護和生態廊道建設等活動，不但有效避免了瀕危物種的滅絕，還進一步恢復了陸地生態系統的生態平衡，促進了人與自然和諧共生。

未來，我們如何編撰“大地之書”？

探究現代陸地生態系統的起源和演化，像編撰一部陸地生態系統的“史書”，內容越豐富、時間越精細，史書也就越真實。

加強化石系統分類和高精度綜合地層研究是基礎。埋藏於地底的一枚枚化石是我們瞭解地球生命史詩的主要窗口。基於這些化石，我們得以窺見遠古生命演化的波瀾壯闊。

除了化石，我們還可以通過化學（地球化學）和物理（地球物理）方法研究地球。地球化學以地層中的元素為主要研究對象，主要通過分析岩石、礦物等的化學組成和同位素特徵，揭示地球內部和表層的物質循環、能量交換及演化規律。地球物理學旨在通過觀測地球物理場的時空變化，推演地球的內部結構、物質狀態以及動力學過程。

過去百年積累了海量的地質資料，如何利用這些數據重建地球的演化史，成為目前地球系統科學的熱點問題之一。構建全新的地學知識圖譜並開展綜合大數據分析工作，也為研究提供了新的突破點。

在數字時代，基於大數據的多學科交叉研究帶來了研究新範式。未來，古生物地層學大數據統計、演化生物學和計算機數值模擬等多學科交叉，將為認識當今全球氣候變化對生物多樣性和生態系統的影響提供重要參考。

（作者單位：中國科學院南京地質古生物研究所）